FR3101409A3 - Spacer element for heat exchanger - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un élément intercalaire (1, 2) pour échangeur de chaleur comprenant au moins une première structure ondulée (1) et une deuxième structure ondulée (2) comportant chacune une succession d’ailettes (123, 223) reliées alternativement par des sommets d’onde (121, 221) et des bases d’onde (122, 222). Selon l’invention, lesdites première et deuxième structures ondulées sont imbriquées l’une dans l’autre. Figure de l’abrégé : Fig. 3The invention relates to an intermediate element (1, 2) for a heat exchanger comprising at least a first corrugated structure (1) and a second corrugated structure (2) each comprising a succession of fins (123, 223) connected alternately by means of wave tops (121, 221) and wave bases (122, 222). According to the invention, said first and second corrugated structures are nested within each other. Abstract figure: Fig. 3

Description

Elément intercalaire pour échangeur de chaleurSpacer element for heat exchanger

L’invention concerne un élément intercalaire pour échangeur de chaleur ainsi qu’un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasées comportant un tel élément intercalaire.The invention relates to an intermediate element for a heat exchanger as well as a heat exchanger of the brazed plate and fin type comprising such an intermediate element.

La technologie couramment utilisée pour un échangeur est celle des échangeurs en aluminium à plaques et à ailettes ou ondes brasés, qui permettent d’obtenir des dispositifs très compacts offrant une grande surface d’échange.The technology commonly used for an exchanger is that of brazed aluminum plate and fin or wave exchangers, which make it possible to obtain very compact devices offering a large exchange surface.

Ces échangeurs comprennent des plaques séparatrices entre lesquelles sont insérées des structures d’échange thermique, généralement des structures ondulées ou ondes, formées d’une succession d’ailettes ou jambes d’onde, constituant ainsi un empilement de passages pour les différents fluides à mettre en relation d’échange thermique.These exchangers include separating plates between which are inserted heat exchange structures, generally corrugated or wave structures, formed of a succession of fins or wave legs, thus constituting a stack of passages for the different fluids to be placed. in heat exchange relationship.

Des éléments intercalaires sont généralement disposées dans les passages de l’échangeur. Ces structures d’échange thermique se présentent sous forme de produit ondulé, ou ondes d’échange thermique, comprennant des ailettes, ou jambes d’onde, qui s’étendent entre les plaques de l’échangeur et permettent d’augmenter la surface d’échange thermique de l’échangeur. Les éléments intercalaires sont assemblés aux plaques par brasage.Intermediate elements are generally arranged in the passages of the exchanger. These heat exchange structures are in the form of a corrugated product, or heat exchange waves, comprising fins, or wave legs, which extend between the plates of the exchanger and allow the surface area to be increased. heat exchange of the exchanger. The intermediate elements are assembled to the plates by brazing.

Actuellement, les éléments intercalaires d’échangeurs de chaleur à plaques et ondes sont fabriqués essentiellement suivant deux techniques.Currently, the spacer elements of plate and wave heat exchangers are manufactured mainly using two techniques.

Une technique est le formage. Cette technologie consiste à plier un feuillard d’aluminium d’une certaine épaisseur à l’aide d’une presse et d’un outil. Cette technique est connue et maîtrisée. Cependant, elle présente certaines limites liées notamment au dessin des outils utilisés pour former les ondes, qui sont le plus souvent constitués de lames assemblées les unes à côté des autres. Plus l’onde à former est dense, c’est-à-dire plus le nombre d’ailette par unité de longueur est grand, plus ces lames sont fines et fragiles. Plus les ondes sont hautes, plus les lames le sont également. Les risques de casse de la lame de l’outil est d’autant plus élevé que le feuillard est épais et la lame fine et haute. La densité et la hauteur des ondes sont donc limitées par l’épaisseur du feuillard d’aluminium utilisé et il existe un couple maximum épaisseur / densité pour chaque type de structure ondulée.One technique is forming. This technology consists of bending an aluminum strip of a certain thickness using a press and a tool. This technique is known and mastered. However, it has certain limits linked in particular to the design of the tools used to form the waves, which most often consist of blades assembled one beside the other. The denser the wave to be formed, that is to say the greater the number of fins per unit length, the thinner and more fragile these blades are. The higher the waves, the higher the blades. The risk of breakage of the tool blade is greater the thicker the strip and the thinner and taller the blade. The density and height of the waves are therefore limited by the thickness of the aluminum strip used and there is a maximum thickness / density pair for each type of corrugated structure.

Une autre technique est le passage à la molette. Cette technologie consiste à faire passer un feuillard d’aluminium entre plusieurs séries de roues dentées. Ces dernières déforment petit à petit le feuillard d’aluminium jusqu’à obtenir la densité et la hauteur d’ondulation voulues. L’utilisation de roues dentées induit cependant des ondes présentant des jambes d’onde ayant un angle non nul par rapport à la verticale, en général supérieur à 5°. De plus les tolérances en terme de hauteur sont supérieures à celles obtenues par formage ce qui peut poser problème au moment du brasage.Another technique is the switch to the dial. This technology consists of passing an aluminum strip between several series of toothed wheels. The latter gradually deform the aluminum strip until the desired density and height of corrugation are obtained. The use of toothed wheels, however, induces waves with wavelengths having a non-zero angle with respect to the vertical, generally greater than 5 °. In addition, the tolerances in terms of height are greater than those obtained by forming, which can pose a problem during brazing.

Afin d’augmenter la densité des ondes et/ou l’épaisseur des jambes des ondes, ce qui peut s’avérer nécessaire dans certains procédés pour maximiser les échanges thermiques, les structures ondulées peuvent être usinées, moulées ou coulées. Cependant, ces techniques sont soit très longues et onéreuses, soit mal adaptées à la production de pièces de grande précision requise pour l’assemblage.In order to increase the density of the waves and / or the thickness of the legs of the waves, which may be necessary in some processes to maximize heat exchange, the corrugated structures can be machined, molded or cast. However, these techniques are either very time consuming and expensive, or poorly suited to the production of high precision parts required for assembly.

Le problème à résoudre est de proposer un élément intercalaire pour échangeur de chaleur dont la densité, l’épaisseur et/ou la hauteur peut être augmentée sans complexifier la fabrication ni risquer de casser les outils de fabrication. The problem to be solved is to provide an intermediate element for a heat exchanger, the density, thickness and / or height of which can be increased without complicating the manufacture or running the risk of breaking the manufacturing tools .

La solution selon l’invention est alors un élément intercalaire pour échangeur de chaleur comprenant au moins une première structure ondulée et une deuxième structure ondulée comportant chacune une succession d’ailettes reliées alternativement par des sommets d’onde et des bases d’onde, caractérisée en ce que lesdites première et deuxième structures ondulées sont imbriquées l’une dans l’autre.The solution according to the invention is then an intermediate element for a heat exchanger comprising at least a first corrugated structure and a second corrugated structure each comprising a succession of fins connected alternately by wave tops and wave bases, characterized in that said first and second corrugated structures are nested one inside the other.

Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :Depending on the case, the invention may include one or more of the following characteristics:

  • les ailettes de la première structure et les ailettes de la deuxième structure ondulée se succèdent suivant une première direction et présentent respectivement une première épaisseur et une deuxième épaisseur, lesdites première et deuxième épaisseurs étant mesurées parallèlement à la première direction, la deuxième épaisseur étant inférieure à la première épaisseur.the fins of the first structure and the fins of the second corrugated structure follow one another in a first direction and respectively have a first thickness and a second thickness, said first and second thicknesses being measured parallel to the first direction, the second thickness being less than the first thickness.
  • la première structure ondulée et la deuxième structure ondulée présentent respectivement un premier pas et un deuxième pas, lesdits premier et deuxième pas étant définis comme les distances entre deux ailettes successives d’une même structure ondulée mesurées suivant la première direction, le premier pas et/ou le deuxième pas étant variable.the first corrugated structure and the second corrugated structure respectively have a first pitch and a second pitch, said first and second pitch being defined as the distances between two successive fins of the same corrugated structure measured along the first direction, the first pitch and / or the second pitch being variable.
  • la première structure ondulée et la deuxième structure ondulée présentent respectivement une première densité d’ailettes et une deuxième densité d’ailettes, lesdites première et deuxième densités d’ailettes étant définies comme le nombre d’ailettes par unité de longueur d’une même structure ondulée, mesurées suivant la première direction, la première densité étant inférieure à la deuxième densité.the first corrugated structure and the second corrugated structure respectively have a first density of fins and a second density of fins, said first and second densities of fins being defined as the number of fins per unit length of the same structure wavy, measured in the first direction, the first density being less than the second density.
  • une couche d’agent de brasage est intercalée entre la première structure ondulée et la deuxième structure ondulée.a layer of brazing agent is interposed between the first corrugated structure and the second corrugated structure.
  • l’élément intercalaire comporte en outre une troisième structure ondulée, la première structure ondulée, la deuxième structure ondulée et la troisième structure ondulée étant imbriquées les unes dans les autres, avec la première structure ondulée agencée entre la deuxième structure ondulée et la troisième structure ondulée.the spacer further comprises a third corrugated structure, the first corrugated structure, the second corrugated structure and the third corrugated structure being nested within each other, with the first corrugated structure arranged between the second corrugated structure and the third corrugated structure .

En outre, l’invention concerne un échangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, et au moins un élément intercalaire selon l’invention agencé entre deux plaques successives de façon à former, au sein du passage défini entre les deux plaques, plusieurs canaux pour l’écoulement du premier fluide.Furthermore, the invention relates to a heat exchanger of the brazed plate and fin type comprising a plurality of plates arranged parallel to one another so as to define a series of passages for the flow of a first fluid to be brought into contact with each other. heat exchange with at least a second fluid, and at least one intermediate element according to the invention arranged between two successive plates so as to form, within the passage defined between the two plates, several channels for the flow of the first fluid.

L’invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures ci-annexés, parmi lesquelles :The invention will now be better understood thanks to the following description, given solely by way of non-limiting example and made with reference to the appended figures, among which:

représente une première onde selon un mode de réalisation de l’invention. represents a first wave according to an embodiment of the invention.

représente une deuxième onde selon un mode de réalisation de l’invention. represents a second wave according to an embodiment of the invention.

représente un élément intercalaire comprenant une première onde et une deuxième onde selon un mode de réalisation de l’invention. represents an intermediate element comprising a first wave and a second wave according to one embodiment of the invention.

représente un élément intercalaire selon un autre mode de réalisation de l’invention. represents an intermediate element according to another embodiment of the invention.

La figure 1 schématise une première structure ondulée 1 comprenant une succession d’ailettes 123 reliées alternativement par des sommets d’onde 121 et des bases d’onde 122. Les ailettes 123 se succèdent suivant une première direction. Les ailettes 123 s’étendent globalement suivant une deuxième direction, orthogonale à la première direction, et qui correspond généralement à la direction d’écoulement du premier fluide s’écoulant dans le passage d’échangeur au sein duquel est agencée la structure. Les ailettes 123 ont une première épaisseur, mesurée suivant la première direction, correspondant à l’épaisseur du feuillard utilisé préalablement pour former la structure. Les sommets et bases d’onde 121, 122 ont la même épaisseur que les ailettes 123.Figure 1 shows schematically a first corrugated structure 1 comprising a succession of fins 123 connected alternately by wave tops 121 and wave bases 122. The fins 123 follow one another in a first direction. The fins 123 extend generally in a second direction, orthogonal to the first direction, and which generally corresponds to the direction of flow of the first fluid flowing in the exchanger passage within which the structure is arranged. The fins 123 have a first thickness, measured in the first direction, corresponding to the thickness of the strip previously used to form the structure. The wave tops and bases 121, 122 have the same thickness as the fins 123.

La figure 2 schématise une deuxième structure ondulée 2 à laquelle on peut transposer les caractéristiques décrites ci-dessus pour la première structure.FIG. 2 is a diagram of a second corrugated structure 2 to which the characteristics described above can be transposed for the first structure.

La figure 3 représente un élément intercalaire formé par imbrication de la première structure ondulée 1 et de la deuxième structure ondulée 2 l’une dans l’autre. Dit autrement, les sommets d’onde, bases d’onde et ailette des structures sont conformées de sorte qu’elles s’imbriquent, les surface de la deuxième structure orientée et de la première structure orientée l’une vers l’autre formant des complémentaires. De préférence, une couche d’agent de brasage est agencée entre les structures ondulées pour les assembler l’une à l’autre.Figure 3 shows an interlayer formed by nesting the first corrugated structure 1 and the second corrugated structure 2 within each other. In other words, the wave tops, wave bases and fin of the structures are shaped so that they overlap, the surfaces of the second structure oriented and of the first structure oriented towards each other forming complementary. Preferably, a brazing agent layer is arranged between the corrugated structures to join them together.

La solution proposée apporte la possibilité d’augmenter fortement l’épaisseur et la densité de l’élément intercalaire résultant, tout en continuant de fabriquer chaque structure ondulée par formage conventionnel, en limitant voir en évitant le risque de casse des outils de formage. Les inventeurs de la présente invention ont ainsi mis en évidence un gain de 30 à 40% sur l’épaisseur de l’élément intercalaire et de (50 à 100% sur sa densité.The proposed solution provides the possibility of greatly increasing the thickness and density of the resulting spacer, while continuing to manufacture each corrugated structure by conventional forming, limiting or even avoiding the risk of breakage of the forming tools. The inventors of the present invention have thus demonstrated a gain of 30 to 40% in the thickness of the intermediate element and of (50 to 100% in its density.

De préférence, les ailettes de la première structure ondulée se succèdent périodiquement, c’est-à-dire que le pas de la structure, défini comme la distance entre deux ailettes successives d’une même ondulation, mesurées suivant la première direction, est constant. On pourra également réaliser la première structure avec un pas variable si nécessaire.Preferably, the fins of the first corrugated structure follow each other periodically, that is to say that the pitch of the structure, defined as the distance between two successive fins of the same corrugation, measured in the first direction, is constant . The first structure can also be produced with a variable pitch if necessary.

De préférence, les ailettes de la première structure ondulée ont une épaisseur plus importante que l’épaisseur des ailettes de la deuxième structure ondulée.Preferably, the fins of the first corrugated structure have a greater thickness than the thickness of the fins of the second corrugated structure.

De préférence, la première structure ondulée présente une densité d’ailettes supérieure à celle de la deuxième structure ondulée.Preferably, the first corrugated structure has a density of fins greater than that of the second corrugated structure.

De préférence, la deuxième structure ondulée présent un pas variable de manière à ce qu’elle puisse s’imbriquer avec la première structure ondulée.Preferably, the second corrugated structure has a variable pitch so that it can interlock with the first corrugated structure.

Notons que deux à trois feuillards, voire plus, peuvent être utilisés pour former l’élément intercalaire.Note that two to three strips, or even more, can be used to form the spacer.

Ainsi, la figure 4 schématise un élément intercalaire formés à partir de trois feuillards, les feuillards étant mis en forme préalablement pour former une première structure ondulée 1, une deuxième structure ondulée 2 et une troisième structure ondulée 3. Un feuillard d’aluminium de plus forte épaisseur sert à former première structure ondulée 1 de façon conventionnelle. Deux feuillards de plus faibles épaisseurs, chacun revêtus sur une face de brasure, servent à réaliser des ondes de plus forte densité. Ces structures 2, 3 ont un pas variable afin de pouvoir s’imbriquer dans la structure 1 de forte épaisseur.Thus, FIG. 4 shows schematically an intermediate element formed from three strips, the strips being shaped beforehand to form a first corrugated structure 1, a second corrugated structure 2 and a third corrugated structure 3. An additional aluminum strip large thickness is used to form the first corrugated structure 1 in a conventional manner. Two thinner strips, each coated on one side with solder, are used to produce waves of higher density. These structures 2, 3 have a variable pitch in order to be able to fit into the very thick structure 1.

De préférence, la ou les structures ondulées de plus faibles épaisseurs formant l’élément intercalaire présentent les ailettes les plus ressérées, c'est-à-dire nécessitant les lames de plus faible épaisseur. Compte tenu de la finesse du feuillard utilisé, la finesse de la lame n’augmente pas le risque de casse de l’outil. On pourra également jouer l’état de recuit des alliages utilisés. En effet, le formage de l’aluminium est d’autant plus facile que l’alliage est fortement recuit. Ceci se caractérise par un allongement à rupture plus important qui évite les risques de déchirure du feuillard. Les structures ondulées de faible épaisseur pourront donc être réalisés dans un alliage recuit. Les structures ondulées seront recouverts d’agent de brasage qui peut être identique à celui utilisée pour braser les échangeurs sous vide. Cela permettra de rendre solidaire les structures ondulées d’ondes à des fins de résistance mécanique.Preferably, the corrugated structure (s) of smaller thicknesses forming the intermediate element have the finest fins, that is to say requiring the thinner blades. Given the thinness of the strip used, the thinness of the blade does not increase the risk of tool breakage. We can also play with the annealing state of the alloys used. This is because the forming of aluminum is easier as the alloy is strongly annealed. This is characterized by a greater elongation at break which avoids the risk of tearing the strip. The small thickness corrugated structures could therefore be made from an annealed alloy. The corrugated structures will be coated with a brazing agent which may be the same as that used to braze the vacuum exchangers. This will allow the corrugated structures of waves to be joined together for mechanical strength.

En tant que structures ondulées, on pourra utiliser les différents types d’ondes mis en œuvre habituellement dans les échangeurs du type à plaques et ailettes brasés. Les ondes pourront être choisies parmi les types d’onde connus tels les ondes droites, les ondes dites à décalage partiel (du type « serrated » en anglais), les ondes à vagues ou arrêtes de hareng (du type « herringbone » en anglais). Ces ondes pourront être perforées ou non.As corrugated structures, we can use the different types of waves usually implemented in exchangers of the brazed plate and fin type. The waves can be chosen from known wave types such as straight waves, so-called partially offset waves (of the "serrated" type), wave waves or herringbones (of the "herringbone" type). . These waves may or may not be perforated.

Claims (7)

Elément intercalaire pour échangeur de chaleur comprenant au moins une première structure ondulée (1) et une deuxième structure ondulée (2) comportant chacune une succession d’ailettes (123, 223) reliées alternativement par des sommets d’onde (121, 221) et des bases d’onde (122, 222), caractérisée en ce que lesdites première et deuxième structures ondulées sont imbriquées l’une dans l’autre.Intermediate element for a heat exchanger comprising at least a first corrugated structure (1) and a second corrugated structure (2) each comprising a succession of fins (123, 223) connected alternately by wave tops (121, 221) and wave bases (122, 222), characterized in that said first and second corrugated structures are nested one within the other. Elément intercalaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes (123) de la première structure ondulée (1) et les ailettes (223) de la deuxième structure ondulée (2) se succèdent suivant une première direction et présentent respectivement une première épaisseur et une deuxième épaisseur, lesdites première et deuxième épaisseurs étant mesurées parallèlement à la première direction, la deuxième épaisseur étant inférieure à la première épaisseur.Intermediate element according to Claim 1, characterized in that the fins (123) of the first corrugated structure (1) and the fins (223) of the second corrugated structure (2) follow one another in a first direction and respectively have a first thickness and a second thickness, said first and second thickness being measured parallel to the first direction, the second thickness being less than the first thickness. Elément intercalaire selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la première structure ondulée (1) et la deuxième structure ondulée (2) présentent respectivement un premier pas et un deuxième pas, lesdits premier et deuxième pas étant définis comme les distances entre deux ailettes (123, 223) successives d’une même structure ondulée mesurées suivant la première direction, le premier pas et/ou le deuxième pas étant variable.Intermediate element according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the first corrugated structure (1) and the second corrugated structure (2) respectively have a first pitch and a second pitch, said first and second pitch being defined as the distances between two successive fins (123, 223) of the same corrugated structure measured in the first direction, the first pitch and / or the second pitch being variable. Elément intercalaire selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première structure ondulée (1) et la deuxième structure ondulée (2) présentent respectivement une première densité d’ailettes et une deuxième densité d’ailettes, lesdites première et deuxième densités d’ailettes étant définies comme le nombre d’ailettes (123, 223) par unité de longueur d’une même structure ondulée, mesurées suivant la première direction, la première densité étant inférieure à la deuxième densité.Intermediate element according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first corrugated structure (1) and the second corrugated structure (2) respectively have a first density of fins and a second density of fins, said first and second fin densities being defined as the number of fins (123, 223) per unit length of the same corrugated structure, measured in the first direction, the first density being less than the second density. Elément intercalaire selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’une couche d’agent de brasage est intercalée entre la première structure ondulée (1) et la deuxième structure ondulée (2).Intermediate element according to one of claims 1 to 4, characterized in that a layer of brazing agent is interposed between the first corrugated structure (1) and the second corrugated structure (2). Elément intercalaire selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une troisième structure ondulée (3), la première structure ondulée (1), la deuxième structure ondulée (2) et la troisième structure ondulée (3) étant imbriquées les unes dans les autres, avec la première structure ondulée (1) agencée entre la deuxième structure ondulée (2) et la troisième structure ondulée (3).Intermediate element according to one of claims 1 to 5, characterized in that it further comprises a third corrugated structure (3), the first corrugated structure (1), the second corrugated structure (2) and the third corrugated structure ( 3) being nested in each other, with the first corrugated structure (1) arranged between the second corrugated structure (2) and the third corrugated structure (3). Echangeur de chaleur du type à plaques et ailettes brasés comprenant une pluralité de plaques agencées parallèlement entre elles de façon à définir une série de passages pour l’écoulement d’un premier fluide à mettre en relation d’échange thermique avec au moins un deuxième fluide, et au moins un élément intercalaire agencé entre deux plaques successives de façon à former, au sein du passage défini entre les deux plaques, plusieurs canaux pour l’écoulement du premier fluide, caractérisé en ce que l’élément intercalaire est selon l’une des revendications 1 à 6.Heat exchanger of the brazed plate and fin type comprising a plurality of plates arranged parallel to one another so as to define a series of passages for the flow of a first fluid to be placed in a heat exchange relationship with at least one second fluid , and at least one intermediate element arranged between two successive plates so as to form, within the passage defined between the two plates, several channels for the flow of the first fluid, characterized in that the intermediate element is according to one of claims 1 to 6.
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